Photoionisation

247 Zeptosekunden - Rekordzeit beim Quantensprung gemessen

Robert Klatt

Bei der Photoionisation von molekularem Wasserstoff (H2) wurde mit 247 Zeptosekunden die bisher kürzeste je gemessene Zeitspanne dokumentiert.

Frankfurt am Main (Deutschland). Die Photoionisation ist eine der fundamentalen Wechselwirkungen von Materie und Licht, bei dem ein Elektron auf ein höheres Niveau gehoben oder komplett herauskatapultiert wird, wenn energiereiches Licht auf ein Molekül oder Atom trifft. In der Physik konnte dieser Effekt wegen seiner hohen Geschwindigkeit lange nicht gemessen werden. Inzwischen gelang es dank moderner Lasertechnik der Wissenschaft aber nachzuweisen, dass bei der Photoionisation die Elektronen mit minimaler Verzögerung auf das Photon reagieren.

Einem Team um Sven Grundmann von der Goethe-Universität Frankfurt ist es laut einer im Fachmagazin Science publizierten Studie nun gelungen exakt zu messen, wie die Elektronenhülle auf die Photoionisation durch Licht reagiert und wie lange der Weg eines Photons durch ein Wasserstoffmolekül dauert. Zuvor wurden solche Messungen unter anderem von der Technischen Universität Wien im Jahr 2018 ausschließlich an Atomen durchgeführt.

Lichtgeschwindigkeit im Wasserstoffmolekül

Für ihre Messung setzten die Physiker molekularen Wasserstoff (H2) der Bestrahlung mit hochfokussierten Röntgenphotonen aus. Dabei wurde eine Energie genutzt, bei der ein einzelnes Photon ausreicht, um beide Elektronen des Wasserstoffmoleküls kurz hintereinander herauszuschlagen. Beobachtet wurde dieser Prozess mit dem COLTRIMS-Reaktionsmikroskop.

Es handelt sich dabei um ein Instrument, das die in der Elektronenhülle erzeugten Wellen erkennt und mithilfe des Interferenzmusters die Dauer eines Prozesses misst. Laut Grundmann „konnten die Wissenschaftler, weil sie die räumliche Orientierung des Wasserstoffmoleküls kannten, aus der Interferenz der beiden Elektronenwellen sehr genau errechnen, wann das Photon das Erste und wann es das zweite Wasserstoffatom erreicht hatte.“

247 Zeptosekunden

Dabei wurde im Mittel eine Dauer von nur 247 Zeptosekunden dokumentiert, die das Röntgenphoton zur kompletten Durchquerung des Wasserstoffmoleküls benötigt. Es handelt sich dabei um die kürzeste je gemessene Zeitspanne. Eine Zeptosekunde ist ein Billionstel einer Milliardstel Sekunde. Selbst im kleinen Wasserstoffmolekül trifft das Photon somit trotz Lichtgeschwindigkeit nicht beide Elektronen instantan, sondern mit einer minimalen Verzögerung.

Reinhard Dörner, Co-Autor der Studie erklärt, dass „erstmals beobachtet werden konnte, dass die Elektronenhülle in einem Molekül nicht überall gleichzeitig auf Licht reagiert.“ Es ist stattdessen eine gewisse Zeit nötig, in der die Elektronenwelle sich über das molekulare Elektronenorbital bewegt. Die dafür notwendige Zeitspanne ist abhängig, wie lange das Photon von einem zum anderen Ende eines Moleküls benötigt.

Science, doi: 10.1126/science.abb9318

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